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煤礦井下復(fù)合定向鉆進(jìn)及配套泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量技術(shù)研究
發(fā)布時(shí)間:
2021-04-19
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瓦斯抽采既是煤礦瓦斯治理的主要方式之一,也是綜合利用瓦斯(煤層氣)的基礎(chǔ),井下定向鉆孔因具有鉆孔軌跡可控、有效抽采距離長(zhǎng)、多分支孔和超前區(qū)域集中抽采等優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)行煤礦井下瓦斯抽采的有效途徑,在保障煤礦安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。然而隨著定向鉆孔孔深和孔徑的增大以及施鉆地層的復(fù)雜多樣性,現(xiàn)有滑動(dòng)定向軌跡控制技術(shù)與有線隨鉆測(cè)量技術(shù)自身固有的局限性逐漸顯現(xiàn)。本文針對(duì)大直徑/超長(zhǎng)近水平定向孔和復(fù)雜地層近水平
瓦斯抽采既是煤礦瓦斯治理的主要方式之一,也是綜合利用瓦斯(煤層氣)的基礎(chǔ),井下定向鉆孔因具有鉆孔軌跡可控、有效抽采距離長(zhǎng)、多分支孔和超前區(qū)域集中抽采等優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)行煤礦井下瓦斯抽采的有效途徑,在保障煤礦安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。然而隨著定向鉆孔孔深和孔徑的增大以及施鉆地層的復(fù)雜多樣性,現(xiàn)有滑動(dòng)定向軌跡控制技術(shù)與有線隨鉆測(cè)量技術(shù)自身固有的局限性逐漸顯現(xiàn)。本文針對(duì)大直徑/超長(zhǎng)近水平定向孔和復(fù)雜地層近水平定向孔鉆進(jìn)施工難題,系統(tǒng)研究了煤礦井下復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù),揭示了復(fù)合定向模式下軌跡控制機(jī)理,定量分析了復(fù)合定向模式下鉆具受力特點(diǎn),設(shè)計(jì)出了適應(yīng)復(fù)合定向鉆進(jìn)的泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置,提升了井下定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備的能力水平,為保障煤礦安全生產(chǎn)提供了有利技術(shù)支持。
首先研究了復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)原理,以鉆孔軌跡調(diào)控為核心制定了鉆進(jìn)工藝流程,并從鉆進(jìn)效率、鉆進(jìn)安全性和深孔鉆進(jìn)三個(gè)方面對(duì)其特性進(jìn)行了分析。基于井下近水平鉆孔單彎無(wú)穩(wěn)的鉆具組合建立了復(fù)合鉆進(jìn)鉆孔軌跡預(yù)測(cè)模型,并利用模擬計(jì)算,分析得出了復(fù)合鉆進(jìn)條件下鉆進(jìn)側(cè)向力和孔斜趨勢(shì)角隨螺桿馬達(dá)彎角、鉆頭側(cè)向切削力、鉆壓、鉆孔孔徑擴(kuò)大率、動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速和鉆孔傾角變化規(guī)律;通過(guò)規(guī)律研究得出復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)采用1.25度螺桿馬達(dá)在鉆壓15kN,鉆孔擴(kuò)大率10%以上時(shí),復(fù)合鉆進(jìn)軌跡控制處于穩(wěn)斜打快狀態(tài)。
通過(guò)建立復(fù)合鉆進(jìn)三維碎巖仿真模型,提取鉆桿柱振動(dòng)模態(tài),并對(duì)鉆頭~鉆桿系統(tǒng)切削破巖過(guò)程進(jìn)行仿真分析?；贏baqus/Explicit顯式中心差分算法對(duì)鉆頭破巖過(guò)程進(jìn)行了瞬態(tài)分析,得到了煤礦井下小直徑近水平鉆孔在復(fù)合鉆進(jìn)條件下孔底鉆具組合不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象;同時(shí)一定程度上定量分析出復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程中孔底鉆具組合和地層之間周期性應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài),為鉆進(jìn)工藝參數(shù)選取及鉆具組合選取提供參考。
其次針對(duì)煤礦井下特殊的施工環(huán)境和鉆進(jìn)技術(shù)要求,設(shè)計(jì)了一套適合煤礦井下條件的無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置,將脈沖發(fā)生器與73mm外管設(shè)計(jì)成一體式結(jié)構(gòu),采用比例先導(dǎo)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了96L/min小排量條件下脈沖信號(hào)穩(wěn)定輸出;應(yīng)用壓力脈沖幅值計(jì)算分析方法,得出脈沖壓力幅值隨閥頭半徑、泵壓、泥漿排量和鉆桿內(nèi)徑增加而增大的變化趨勢(shì),結(jié)合煤礦井下泵量參數(shù)得出煤礦井下泥漿脈沖傳輸?shù)淖罴验y頭直徑。為泥漿脈沖隨鉆測(cè)量裝置在煤礦井下應(yīng)用中工作參數(shù)的設(shè)定和鉆進(jìn)參數(shù)的選擇提供參考。
最后結(jié)合中硬煤層、軟硬互層煤層及頂板復(fù)雜地層三個(gè)典型現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)和泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。驗(yàn)證了關(guān)于復(fù)合定向鉆進(jìn)及配套泥漿脈沖無(wú)線隨鉆技術(shù)的研究成果。本文所開展的復(fù)合定向鉆進(jìn)及泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量技術(shù)研究和相關(guān)結(jié)論,能夠用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采鉆孔工程實(shí)踐,對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)一步研究應(yīng)用有一定參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞:
復(fù)合,鉆進(jìn),定向,井下,鉆孔,脈沖,煤礦,技術(shù),泥漿
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